JP2018531427A6 - Optical system for thermal imager - Google Patents
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Abstract
本発明は、同一平面内に配置され、平行な光軸(Oa、Ob)を有する、2つの対称な凹面鏡(20a、20b)と、鏡の前に配置され、2つの鏡の光軸にそれぞれ実質的に隣接する2つの相対する縁を有する、イメージセンサアレイ(24)とを備える、イメージセンサのための鏡を有する光学システムに関する。イメージセンサは不透明マスク(28)に取り付けることができ、不透明マスク(28)は、イメージセンサの周辺に、イメージセンサを越えて延びる鏡の表面内に包含される、各鏡(20)の前にある入口ひとみ(26)を備える。
【選択図】図2The present invention includes two symmetric concave mirrors (20a, 20b) arranged in the same plane and having parallel optical axes (Oa, Ob), and arranged in front of the mirrors on the optical axes of the two mirrors, respectively. An optical system having a mirror for an image sensor comprising an image sensor array (24) having two adjacent edges that are substantially adjacent. An image sensor can be attached to the opacity mask (28), which is included in the periphery of the image sensor, in the surface of the mirror that extends beyond the image sensor, in front of each mirror (20). It has an entrance pupil (26).
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、サーマルイメージャ、特に、このようなイメージャに適合された光学システムに関する。 The present invention relates to thermal imagers, and in particular to optical systems adapted to such imagers.
サーマルイメージャは、イメージをセンサ上に合焦するための光学システムと共に設けられる、2μmを超える波長を感知するイメージセンサアレイを含む場合がある。光学システムは、レンズが熱放射を透過する材料を用いること以外は、可視放射のためのレンズと同様の構成を有する場合がある。このような材料は、高価であり、概して低い透過率を有する。 A thermal imager may include an image sensor array that senses wavelengths in excess of 2 μm provided with an optical system for focusing the image on the sensor. The optical system may have a configuration similar to a lens for visible radiation, except that the lens uses a material that transmits thermal radiation. Such materials are expensive and generally have low transmittance.
図1は、特許出願WO2002−063872で説明される場合の熱放射に適合された例示的な低コストの光学システムの概略的な断面図である。光学システムは、グレゴリー式望遠鏡構成に配置された鏡を含む。観察されるシーンからの光線は、凹面主鏡10(普通は放物面)に到達し、副鏡12(一般に楕円凹面)へ反射される。鏡12は、光線を、主鏡10の中央開口の後ろに位置するイメージセンサ14へ反射させる。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an exemplary low cost optical system adapted for thermal radiation as described in patent application WO2002-063872. The optical system includes a mirror arranged in a Gregory telescope configuration. Light rays from the observed scene reach the concave primary mirror 10 (usually a paraboloid) and are reflected to the secondary mirror 12 (generally an elliptical concave surface). The
副鏡12は、シーンと主鏡10との間に位置する。この鏡は、入射放射をフィルタする支持体16に取り付けられる。支持体16は、イメージャの感度を損なわないように熱線に対しては高い透過性を有する。
The
この光学システムは、望遠鏡構成を有するため、狭い視野を有し、屋内シーンには適していない。 Since this optical system has a telescope configuration, it has a narrow field of view and is not suitable for indoor scenes.
同一平面内に位置し、平行な光軸を有する、2つの対称な凹面鏡と、鏡の前に位置し、2つの鏡の光軸にそれぞれ実質的に隣接する2つの相対する縁を有する、イメージセンサアレイとを備える、サーマルイメージャのための光学システムが概して提供される。 An image having two symmetric concave mirrors that lie in the same plane and have parallel optical axes, and two opposite edges that are located in front of the mirrors and are substantially adjacent to the optical axes of the two mirrors, respectively. An optical system for a thermal imager comprising a sensor array is generally provided.
イメージセンサは不透明マスクに取り付けられてよく、不透明マスクは、イメージセンサの周辺に、イメージセンサを越えて延びる鏡の表面内に包含される、各鏡の前にある入口ひとみを備える。 The image sensor may be attached to an opacity mask, the opacity mask comprising an entrance pupil in front of each mirror that is contained in the periphery of the image sensor and within a mirror surface that extends beyond the image sensor.
各ひとみ及び対応する鏡は、ひとみを通って鏡に到達する光軸に平行な光線がイメージセンサの最も近い縁の方へ反射され、ひとみを通ってイメージセンサの下にある鏡の縁に到達する限界角度にある光線がイメージセンサの対称軸の方へ反射されるように構成されてよい。 Each pupil and the corresponding mirror reflects light rays parallel to the optical axis that pass through the pupil to the mirror and are reflected toward the nearest edge of the image sensor and through the pupil to the mirror edge under the image sensor. The light beam at a critical angle may be configured to be reflected toward the symmetry axis of the image sensor.
ひとみは、光軸にそれぞれ隣接してよい。 The pupils may each be adjacent to the optical axis.
鏡は、実質的に、光学センサと同じフォームファクタを有し、且つ楕円面を有してよい。 The mirror may have substantially the same form factor as the optical sensor and may have an elliptical surface.
光学システムは、4つの隣接する象限に構成された、平行な光軸を有する、4つの凹面鏡であって、イメージセンサの4つの角部が4つの光軸にそれぞれ実質的に隣接する、凹面鏡と、イメージセンサの4つの角部にそれぞれ位置する、4つの入口ひとみと、をさらに備えてよい。 The optical system includes four concave mirrors with parallel optical axes configured in four adjacent quadrants, wherein the four corners of the image sensor are substantially adjacent to the four optical axes, respectively. And four entrance pupils respectively located at four corners of the image sensor.
他の利点及び特徴は、例示の目的のためだけに提供され添付図に表される本発明の特定の実施形態の以下の説明からより明白となるであろう。 Other advantages and features will become more apparent from the following description of specific embodiments of the invention, which are provided for purposes of illustration only and are represented in the accompanying drawings.
図2では、鏡を用いる2つの光学サブシステムの対称な組立体により、広視野光学システムの一実施形態が形成される。2つの光学サブシステムの鏡20a及び20bは、凹面であり、見られるシーンの方へ配向される平行な光軸Oa及びObを有する。2つの鏡は、同一平面内にあり、光学システムの対称面内に位置する共通のリッジ22に沿って隣接してよい。
In FIG. 2, a symmetrical assembly of two optical subsystems using mirrors forms one embodiment of a wide field optical system. The two
イメージセンサアレイ24は、鏡とシーンとの間の、鏡の平面に平行な平面内に位置し、光軸に関してオフセットされる。センサ24は、リッジ22の上に重なり、好ましくは図示したように2つの光軸に達する。鏡の焦点面に対するセンサ平面の位置が、焦点距離を決める。焦点面は、鏡の光学焦点Fa及びFbを通る。遠い被写体に関して、焦点面とセンサの平面は同化されることになる。監視される室内などの数メートル離れたところに位置する被写体に関して固定焦点の光学システムで実質的に鮮明なイメージを得るには、センサの平面は、焦点面に対してシーンの方へオフセットされてよい。
The
この構成により、鏡20aに関して図示したように、光軸Oaに沿って方向づけられた入射光線は、イメージセンサ24の最も近い縁をかすって通り、鏡の中心に到達し、光軸と位置が合った状態でセンサの縁へ反射される。光軸Oaに平行な、且つセンサ24の縁からオフセットされた、入射光線r1は、焦点Faを通過し、センサの縁の付近に当たる。
With this configuration, as illustrated with respect to the
開示を明快にするために、物理イメージセンサの縁は、センサの感知領域の縁と一致するとみなされる。実際には、感知領域は、センサの縁よりも後退している場合がある。ここで説明される原理は、実際にはセンサの感知領域にあてはまる。 For clarity of disclosure, the edge of the physical image sensor is considered to coincide with the edge of the sensing area of the sensor. In practice, the sensing area may recede from the sensor edge. The principle described here actually applies to the sensing area of the sensor.
共通のリッジ22に当たる斜光線r2は、鏡20a上の光線の入射角に依存する角度で反射される。図示した光線r2は、光軸Oaと光学サブシステムの視野を画定する、すなわち、光線r2は、鏡20aによってセンサの方へ反射された光線のなかで最も大きい角度を有する。
The oblique ray r2 hitting the
この構成では、図示したように、光線r2はセンサ24の対称軸の方へ反射されることが望ましい。次に、光線r3のように光線r2の角度よりも小さい角度でリッジ22に当たるあらゆる光線は、センサ24の同じ上半分の方へ反射される。この制約は、例えば、光学システムの寸法に適合された楕円鏡によって満たされ得る。
In this configuration, as shown, the ray r2 is preferably reflected toward the axis of symmetry of the
限界光線r2の角度よりも大きい角度でリッジ22に到達する光線は、センサ24の第2の、下半分の方へ反射されることになる。これは、センサの第2の半分は鏡20bに関連する第2の光学サブシステムによって対称に用いられるため、望ましいことではない。このような光線を遮断するために、用いられる放射に対して不透明なマスク28に形成される適切にサイズ設定されたオリフィスの形態の軸外れ入口ひとみ26aが設けられてよい。この場合、対称なひとみ26bが、第2の光学サブシステムのために設けられる。
Light that reaches the
マスク28は、光軸に沿った大きいラチチュードに配置されてよく、ひとみ26aのサイズ及び位置は、光軸Oaと限界光線r2によって形成される母線により定められる。好ましくは、図示したように、マスク28は、センサを取り付けるための支持体として直接役立つことができるように、イメージセンサ24の平面内に配置される。
The
ひとみ26aは、リッジ22を渡って第2の鏡20bに到達する斜光線は遮断しない。このような光線は、鏡20bによりセンサ24の外部へ反射されるので、イメージャに影響を及ぼさない。
The
このように2つの軸外れ対称光学サブシステムを関連付けることにより、イメージャの視野を光軸の平面において2倍にすることができる。全方向の視野を2倍にするために、後述するように4つの軸外れ光学サブシステムが一緒に組み立てられてよい。 By associating two off-axis symmetric optical subsystems in this way, the imager field of view can be doubled in the plane of the optical axis. To double the field of view in all directions, four off-axis optical subsystems may be assembled together as described below.
図3は、全方向に広視野を有する光学システムの一実施形態の概略的な正面図である。平行な光軸を有する4つの凹面鏡20a乃至20dが、4つの隣接する象限Q1乃至Q4に構成される。イメージセンサ24は、4つの象限の上の中央に配置されてよく、その4つの角部は、好ましくは、鏡の4つの光軸にそれぞれ隣接する。鏡は、センサと同じフォームファクタを有し、且つ光学システムの2つの直交する対称面内に包含されるリッジに沿って隣接してよい。鏡及びセンサは、ここでは正方形であるが、長方形とすることもできる。
FIG. 3 is a schematic front view of one embodiment of an optical system having a wide field of view in all directions. Four
4つの入口ひとみ26a乃至26dは、4つの鏡20a乃至20dとそれぞれ関連する。ひとみは、この実施形態ではそれら自体がセンサ24の4つの角部に隣接する、4つの光軸にそれぞれ隣接してよい。ひとみ26はさらに、イメージセンサの対角線上に存在し、したがって、図2は、図3のシステムの対角線に沿った断面図と考えることができる。
Four
ひとみ26は円形の形態で図示されている。それらは、イメージセンサと同じフォームファクタを有する長方形とすることもできる。しかしながら、円形のひとみはダイヤフラムとして働き、光軸に沿ったひとみの位置に依存するひとみの直径は、光学システムの被写界深度と、センサに伝送される放射の量に影響を及ぼす。好ましくは、図示したように、各ひとみは、イメージセンサを越えて延びる鏡面領域内に包含される。この構成により、光軸に平行な、ひとみを通過するすべての光線が、鏡に到達する。 The pupil 26 is illustrated in a circular form. They can also be rectangular with the same form factor as the image sensor. However, the circular pupil acts as a diaphragm, and the pupil diameter, which depends on the position of the pupil along the optical axis, affects the depth of field of the optical system and the amount of radiation transmitted to the sensor. Preferably, as shown, each pupil is contained within a specular region extending beyond the image sensor. With this arrangement, all rays passing through the pupil, parallel to the optical axis, reach the mirror.
点線領域は、ひとみ26a及び26dによりイメージセンサ24の平面上に投影されたイメージに対応する。これらのイメージは、イメージセンサの象限を区切る対称軸で断ち切られる実質的に円である。断ち切られた円の直径は、原則としてセンサの対角線の半分に等しく、ゆえに、4つの鏡間の共通点に到達する対角限界光線(図2でのr2)はイメージセンサの中央の方へ反射される。
The dotted line area corresponds to the image projected onto the plane of the
隣接するリッジでの鏡面の品質が、円のイメージの断ち切られた縁の品質を定める。実際には、一定の品質のリッジを作製するのは難しい。したがって、4つの象限に形成されたイメージは、センサの対称軸に沿った不鮮明な縁を有する場合がある。これは、後で開示するように、問題ではない。 The quality of the mirror surface at the adjacent ridge determines the quality of the cut edge of the circle image. In practice, it is difficult to produce a ridge of constant quality. Thus, an image formed in the four quadrants may have a blurred edge along the axis of symmetry of the sensor. This is not a problem as will be disclosed later.
図4は、図3の4象限光学システムの斜視図である。この図は、図3の図には例示されないマスク28を最前面に示す。センサのいくつかの要素が、マスク28を透かして示される。マスク28は、イメージセンサ24の安定した支持を保証するのに役立つ特定の厚さを有し得るので、入口ひとみ26は、光軸と対応する限界光線r2(図2)によって形成される母線により画定された円錐に従う、好ましくは円錐台形である。それらが正確に円錐台形ではない場合、ひとみは、円錐台形の形状に近い異なる半径のいくつかの円筒形部分によって形成されてもよい。
FIG. 4 is a perspective view of the four-quadrant optical system of FIG. This figure shows the
図5A及び図5Bは、イメージセンサ24上の図3又は4の光学システムにより投影されたイメージ、及びその処理の観点でのイメージの変換の例を示す。見られる被写体は、イメージャの視野の中央に置かれた円である。
5A and 5B show an example of an image projected by the optical system of FIG. 3 or 4 on the
2つの鏡の光学システムに関して図2に例示したように、見られるシーンの中央から生じる、光軸に平行な光線は、センサの縁の方へ反射され、一方、シーンの縁から来る光線は、センサの中央の方へ反射されることを想起されたい。したがって、シーンの中央はセンサの縁の方へ反射され、シーンの縁はセンサの中央の方へ反射される。したがって、イメージセンサの2つの一半により生成される各半分イメージを交換することにより、有用な最終的なイメージが得られる。 As illustrated in FIG. 2 for the two-mirror optical system, rays originating from the center of the scene seen and parallel to the optical axis are reflected towards the edge of the sensor, while rays coming from the edge of the scene are Recall that it is reflected towards the center of the sensor. Thus, the center of the scene is reflected towards the edge of the sensor and the edge of the scene is reflected towards the center of the sensor. Thus, by exchanging each half image generated by the two halves of the image sensor, a useful final image is obtained.
図5Aでは、図3及び図4のタイプの4つの鏡の光学システムにおいて、シーンの中央がセンサの角部の方へ反射され、シーンの角部がセンサの中央の方へ反射される。したがって、視野の中央における円は、イメージセンサにより、図示したようにセンサの4つの角部で各4分円として感知される。 In FIG. 5A, in a four mirror optical system of the type of FIGS. 3 and 4, the center of the scene is reflected towards the corner of the sensor and the corner of the scene is reflected towards the center of the sensor. Thus, the circle at the center of the field of view is sensed by the image sensor as quadrants at each of the four corners of the sensor as shown.
図5Bでは、円の用いることができるイメージを再構築するべく、センサにより与えられるイメージの4つの象限が、図5Aに矢印で示されるように対角に交換されている。したがって、象限Q1は象限Q3と交換され、象限Q2は象限Q4と交換されている。 In FIG. 5B, the four quadrants of the image provided by the sensor are swapped diagonally as indicated by the arrows in FIG. 5A to reconstruct the usable image of the circle. Therefore, quadrant Q1 is exchanged with quadrant Q3, and quadrant Q2 is exchanged with quadrant Q4.
したがって、最終的なイメージの縁は、センサの対称軸に最初に位置していた部分、すなわち、隣接する鏡間のリッジにより反射された光線によって形成された部分を受け取り、これはリッジの表面品質により劣化することがある。それゆえ、リッジに起因する不完全性が最終的なイメージの縁で見受けられ、実際には縁はあまり有用な情報を伝達しない。 Thus, the final image edge receives the portion originally located on the axis of symmetry of the sensor, i.e. the portion formed by the light reflected by the ridge between adjacent mirrors, which is the surface quality of the ridge. May deteriorate. Therefore, imperfections due to ridges are seen at the edges of the final image, and in fact the edges do not convey much useful information.
最終的なイメージの中央は、センサによって隠される部分に対応するブラインドゾーンを有する。しかしながら、このブラインドゾーンは、光軸に平行に通り抜ける光線間に画定され、それにより、ブラインドゾーンは、視野の中央における被写体上のセンサのサイズの投影されるゾーンに対応する。被写体が十分に遠い場合、投影されるゾーンは、センサの画素よりもはるかに小さく、したがって、まったく感知できないほどであり得る。 The center of the final image has a blind zone corresponding to the part hidden by the sensor. However, this blind zone is defined between rays that run parallel to the optical axis, so that the blind zone corresponds to a projected zone of the size of the sensor on the subject in the center of the field of view. If the object is far enough, the projected zone is much smaller than the sensor pixels and can therefore be completely undetectable.
単なる例として、イメージャは、0.199の円錐定数及び12.067mmの曲率半径を有する楕円鏡により約80°の視野を有する状態で実現された。鏡とイメージセンサアレイは、約13.6mmの同じ対角線を有した。イメージセンサは、楕円のくぼみから約5.7mmの、鏡の光学焦点面内に配置された。ひとみは、3.8mmの直径を有した。これらの寸法により、0.2から20メートルまでの満足のいく鮮明さのイメージを得ることができた。 By way of example only, the imager was realized with an elliptical mirror having a conic constant of 0.199 and a radius of curvature of 12.067 mm with a field of view of about 80 °. The mirror and image sensor array had the same diagonal of about 13.6 mm. The image sensor was placed in the optical focal plane of the mirror, approximately 5.7 mm from the elliptical depression. The pupil had a diameter of 3.8 mm. With these dimensions, satisfactory clear images from 0.2 to 20 meters could be obtained.
本明細書で説明される実施形態の多くの変形及び修正が当業者には分かるであろう。例えば、鏡は互いに接触している必要はない。2つの隣接する鏡の縁間に隙間が存在してよく、これは結果的にイメージセンサの情報をもたない中央帯域を生じる。イメージの縁に対応するこの帯域は、一般に、有用な情報を伝達しない。 Many variations and modifications of the embodiments described herein will be apparent to those skilled in the art. For example, the mirrors need not be in contact with each other. There may be a gap between the edges of two adjacent mirrors, which results in a central zone without image sensor information. This band corresponding to the edge of the image generally does not convey useful information.
すべての4つの象限をカバーする単一のイメージセンサを設ける代わりに、各象限ごとに独立したイメージセンサが設けられてもよく、この方策は、単一のセンサを設けるよりも高価であろう。 Instead of providing a single image sensor covering all four quadrants, an independent image sensor may be provided for each quadrant, and this strategy would be more expensive than providing a single sensor.
好ましくは、センサの縁、又はより正確にはセンサの感知領域の縁は、光軸に隣接する。もちろん、この構成は、許容差限界内を遵守し得る。縁が光軸よりも後退している場合、視野の中央帯域において情報が失われる場合がある。縁が光軸を越えて突き出ている場合、センサの突き出ている部分は照射されず、再構築されたイメージの中央に黒色帯域を生じる。この後者の事例は、黒色帯域はイメージを後処理することにより除去することができ、情報の損失がないため、前者の事例よりも好ましい。 Preferably, the edge of the sensor, or more precisely the edge of the sensing area of the sensor, is adjacent to the optical axis. Of course, this configuration can comply with tolerance limits. If the edge is set back from the optical axis, information may be lost in the central band of the field of view. If the edge protrudes beyond the optical axis, the protruding portion of the sensor is not illuminated, resulting in a black band in the center of the reconstructed image. This latter case is preferred over the former case because the black band can be removed by post-processing the image and there is no loss of information.
Claims (5)
・同一平面内に位置し、平行な光軸(Oa、Ob)を有する、2つの対称な凹面鏡(20a、20b)と、
・前記鏡の前に位置し、前記2つの鏡の光軸にそれぞれ実質的に隣接する2つの相対する縁を有する、イメージセンサアレイ(24)と、
・前記イメージセンサ(24)が取り付けられる、不透明マスク(28)であって、前記マスクが、前記イメージセンサの周辺に、前記イメージセンサを越えて延びる前記鏡の表面内に包含される、各鏡(20)の前にある入口ひとみ(26)を備える、不透明マスク(28)と、
を備える、光学システム。 An optical system for a thermal imager,
Two symmetrical concave mirrors (20a, 20b) located in the same plane and having parallel optical axes (Oa, Ob);
An image sensor array (24) located in front of the mirror and having two opposite edges each substantially adjacent to the optical axis of the two mirrors;
An opaque mask (28) to which the image sensor (24) is mounted, wherein the mask is included within the surface of the mirror extending around the image sensor and beyond the image sensor; An opaque mask (28) with an entrance pupil (26) in front of (20);
An optical system comprising:
・前記ひとみ(26)を通って前記鏡に到達する光軸に平行な光線(r1)が前記イメージセンサの最も近い縁の方へ反射され、
・前記ひとみを通って前記イメージセンサの下にある前記鏡の縁(22)に到達する限界角度にある光線(r2)が前記イメージセンサの対称軸の方へ反射される、
ように構成される、請求項1に記載の光学システム。 Each pupil (26) and corresponding mirror (20)
A ray (r1) parallel to the optical axis reaching the mirror through the pupil (26) is reflected towards the nearest edge of the image sensor;
A ray (r2) at a critical angle passing through the pupil and reaching the edge (22) of the mirror under the image sensor is reflected towards the axis of symmetry of the image sensor;
The optical system of claim 1, configured as follows.
・前記イメージセンサの4つの角部にそれぞれ位置する、4つの入口ひとみ(26a〜26d)と、
を備える、請求項1に記載の光学システム。 Four concave mirrors (20a-20d) with parallel optical axes configured in four adjacent quadrants, wherein the four corners of the image sensor (24) are substantially in the four optical axes, respectively. A concave mirror (20a-20d) adjacent to
Four entrance pupils (26a-26d) respectively located at four corners of the image sensor;
The optical system according to claim 1, comprising:
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